材料力学性能第一章

材料的概念肖纪美先生的观点：材料是人类社会能接受的，经济地制造有用器件的物质。材料的定义 :材料的性能1、 使用性能： 物理性能（光、电、磁 ）力学性能 （强度、塑性、硬度 ）2、 加工性能 （可制造性） 热加工：铸、锻、焊、热处理 冷加工：车、铣、磨 特种加工：电火花、激光、离子 材料力学性能的定义n 材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷与 环境因素（如温度、介质和加载速率）联合 作用下所表现的行为，又称为力学行为。宏宏观上一般表现为材料的变形或断裂。材料 力学性能 表征1、材料软硬程度的表征。2、材料脆性的表征。3、材料抵抗外力能力表征。4、材料变形能力的表征。5、含缺陷材料抗断裂能力的表征。6、材料抵抗多次受力能力的表征。7、新材料及特种材料性能的表征。8、特殊条件下材料性能的表征。材料 力学性能 表征 弹性 :是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。 塑性 :是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力 强度 :是材料对变形和断裂的抗力。 寿命 :是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。材料的基本力学性能关于材料力学性能的参考书1 高建明 主编 . 材料力学性能 M. 武汉 : 武汉理工大学出版社 , 2004.2 石德珂 , 金志浩 主编 . 材料力学性能 M. 西安 : 西安交通大学出版社 , 1998.3 刘瑞堂 主编 . 工程材料力学性能 M. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学出版社 , 2001.4 陈楷 主编 . 陶瓷材料物理性能 M. 北京 : 中国建筑工业出版社 , 1980.5 吴振铎 主编 . 无机材料物理性能 M. 北京 : 清华大学出版社 , 1992.第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能n 拉伸试验是材料力学性能最重要的试验方法之一。n 拉伸试验可以确定力学性能指标。抗拉强度 b屈服强度 0.2延伸率 %断面收缩率 %弹性极限 En 静载拉伸试验指在室温下、缓慢加载等条件下进行。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能拉伸试样n 圆形试样n 板状试样光滑圆柱试件 :试件的标距长度 l0比直径 d0要大得多；通常， l0=5d0或 l0=10d0板状试件 :试件的标距长度 l0应满足下列关系式： l0=5.65A01/2或 11.3A0 1/2 ；第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能力 -伸长曲线和应力 -应变曲线n 力 -伸长曲线拉伸试验中拉伸力与伸长的关系曲线第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 弹性变形 屈服变形 均匀塑性变形 局部塑性变形 低碳钢应力应变曲线第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能左图为多数金属材料的应力应变曲线。特点 ：主要包括弹性变形、均匀塑性变形、局部塑性变形阶段，无明显的屈服阶段。加工硬化第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能低 塑性材料的应力应变图 脆性材料的应力应变图特点 ：无屈服现象无颈缩现象典型材料：球墨铸铁、铝青铜特点 ：无塑性变形典型材料：玻璃、淬火高碳钢、普通灰铸铁第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能拉伸性能指标屈服强度 S定义 : 材料开始塑性变形的应力 .工程上常用的屈服标准有三种比例极限 P: 应力 -应变曲线上符合线性关系的最高应力。弹性极限 el: 材料能够完全弹性恢复的最高应力。工程上用途不同区别 ,枪炮材料要求高的比例极限 ,弹簧材料 要求高的弹性极限。屈服强度 0. 2或 ys : 以规定发生一定的残留变形为标准 ,通常为 0.2%残留变形的应力作为屈服强度。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能n 抗拉强度 材料的极限承受能力对于脆性材料和不形成颈缩的塑性材料，抗拉强度代表断裂抗力。对于形成颈缩的塑性材料表示在静拉伸条件下的极限承载能力。n 实际断裂强度对于不连续屈服的材料，如低碳钢，则存在上屈服点和下屈服点，一般以下屈服点作为材料的屈服强度。n 脆性材料的拉伸力学行为脆性材料在拉伸载荷下的力学行为可用虎克定律来描述。在弹性变形阶段，应力与应变成正比，即 =Ee 无机玻璃、陶瓷以及一些处于低温下的脆性金属材料，在拉伸断裂前只发生弹性变形，而不发生塑性变形。脆性材料在拉伸载荷下的力学性能可用两个力学参数表征：即弹性模量和脆性断裂强度。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能n 塑性材料的拉伸力学行为当塑性材料所受的应力低于弹性极限，其力学行为可近似地 用虎克定律加以表述。当材料所受的应力高于弹性极限，虎 克定律不再适用。此时，材料的变形既有弹性变形又有塑性变形，进入弹塑性变形阶段，其力学行为需要用弹 -塑性变形阶段的数学表达式，或称本构方程加以表述。n 弹性变形及其物理本质外力引起原子间距的变化，即位移，在宏观上即弹性变形。弹性性能与特征是原子间结合力的宏观表现，本质上决定于晶体的电子结 构，而不依赖于其显微组织。引力 斥力第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能虎克定律n（一）简单应力状态的虎克定律n（二）广义虎克定律单向受力时，由此可见，即使在单轴加载条件下，材料不仅有受拉方向上的伸长变形，还有 垂直于受拉方向的横向收缩变形。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能弹性模量n 定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应力，即产生 100%弹性变形时所需要的应力。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能从原子间结合键的本质看，具有强化学键结合的材料的弹性模量高，而分子间由范德华力结合的材料弹性模量低，弹性模量与熔点一样，取决于粒子间的键合强度，两者具有相同的变化趋势。表 一些工程材料的弹性模量、熔点和键型第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能除少数几个具有简单的晶体结构，如 MgO， KCl等，在室温下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶体结构复杂，室温下没有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸试验只能测定其弹性模量和断裂强度。 n 陶瓷材料的弹性模量第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能陶瓷材料的弹性模量比金属的大得多，常高出一倍至几倍。陶瓷材料的原子键主要有离子键和共价键两大类，且多数具有双重性。共价键晶体结构的主要特点是键具有方向性。它使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力，使共价键陶瓷具有比金属高得多的硬度和弹性模量。离子键晶体结构的键方向性不明显，但滑移系不仅要受到密排面与密排方向的限期，而且要受到静电作用力的限制，因此实际可动滑移系较少，弹性模量较高。 n 陶瓷材料的弹性模量第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能材 料 E/GPa 材 料 E/GPa 材 料 E/GPa金 刚 石 1200 W 2C 428 NbC 345WC 717 MoSi2 380 Be2C 317TiB2 648 BeO 352 SiC 485Al2O3 510 FeSi2 345 B4C 455TiC 490 ZrC 345 ZrB2 440典型陶瓷材料的弹性模量第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能n 气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响 式中 E0为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量，p为孔隙率。第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能孔隙率对陶瓷材料弹性模量的影响n 拉、压应力状态下的弹性模量 金属不论是在拉伸还是在压缩状态下，其弹性模量相等，即拉伸与压缩两部分曲线为一条直线，。而陶瓷材料压缩时弹性模量一般高于拉伸时弹性模量，即压缩时 -e 曲线斜率比拉伸时的大。这与陶瓷材料显微结构的复杂性和不均性有关。 第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属与陶瓷材料 -e曲线的弹性部分弹性性能的工程意义大部分零件在服役过程中处于什么变形阶段？不同的零件弹性变形的能力要求一样吗？刚度刚度定义：材料在外载荷下抵抗弹性变形的能力。 减少弹性变形的途径：实际情况如何呢？第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1 增大截面积：比 弹性模量（弹性模量 /密度）的提出2 增大弹性模量的途径材料弹性模量主要取决于 结合键的本性 和 原子间的结合力 ，而材料的成分和组织对它的影响不大，可以说它是一个对组织不敏感的性能指标 （对金属材料），而对高分子和陶瓷 E对结构和组织敏感。不同类型的材料，其弹性模量差别很大。熔点高， E E W =2EFe EFe=3EA